導航衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)是一個真正的在全球每一個國家擁有民用客戶的國際化系統(tǒng)。并且，美國陸�？杖�軍和46個聯(lián)合國家有權使用GPS軍用信號。自從1983年起，美國空軍就一直不間斷地提供全世界民用GPS信號。GPS既推進了全球商務化又使得現(xiàn)代化戰(zhàn)爭發(fā)生了革命性的變化。

　　今天，GPS制定了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的國際化標準。在加利福尼亞州的洛杉磯空軍基地，GPS聯(lián)隊繼續(xù)維持并促使著GPS衛(wèi)星群走向現(xiàn)代化。

　　圖1所描述的是最近2006年11月17日第三顆現(xiàn)代化的IIR-M衛(wèi)星的發(fā)射情況。

　　GPS擁有繁多的民用應用領域，包括從汽車導航、飛機引導、緊急地點定位、海嘯和地震監(jiān)視和經(jīng)濟業(yè)務認證到陸地測量。GPS軍用方面跨越了導航的全部以及從航空和救援的時間調(diào)整到策劃的過程。因為其他國家部署GNSS(Global Navigation Satellite System --不受控于美國的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))和GPS搜索以改善美國和世界的服務，因此支持GPS的國際合作變得更加重要。

　　GPS帶來的威脅和機會再怎么說也不為過，并且需要合作來抵抗威脅和追求機會。射頻光譜是有限和擁擠的，這使得它成為了競爭和服務系統(tǒng)越來越尋找的一種稀有資源，但是它可以用GPS通過在謹慎控制下的方式來和其他系統(tǒng)共享頻譜以實現(xiàn)互利共贏。、被其他GNSS或non-GNSS系統(tǒng)誤導去分享GPS光譜的嘗試可能對GPS和其他GNSS有害。相反地，有意與其他GNSS開發(fā)者與經(jīng)營者的合作結(jié)果會使得民用接收器得到改進，向所有GNSS用戶提供更有力而充實的服務。

　　認可這獨特且綱領性的專門技術在GPS聯(lián)隊是很有用的，美國國務院一再從GPS聯(lián)隊尋求支持GNSS國際性組織的技術指導。因為GPS聯(lián)隊的使命是“為我們的顧客提供并維持持續(xù)、有效且能承受得起的GPS服務。 ”這些國際努力是GPS聯(lián)隊的一固有部分。

　　成功地完成這個使命直到達到國家太空政策所要求的目標需要廣泛的國際交流，正如在這篇文章總結(jié)的一樣。以下部分描述了GPS聯(lián)隊的背景和其國際化工作的內(nèi)容。在第二部分，寫了保證兼容性的工作。緊跟著的第三部分，寫了對增強表現(xiàn)和互用性的努力的總的看法。 GPS聯(lián)隊介入的航空標準和國際軍用用戶設備分別在第四和第五部分提到。未來的挑戰(zhàn)和機遇最后被確認下來。

　　背景

　　GPS是一個連續(xù)、面向太空、全天候的PNT系統(tǒng)。GPS衛(wèi)星傳送GPS接收器使用的無線電信號，這些信號用來確定極端準確三維位置和與精確普通時間參考一起的速度信息。雖然名義上衛(wèi)星群包括24顆地球中軌道的衛(wèi)星，但是衛(wèi)星群最近幾年已發(fā)展為達到30枚運行衛(wèi)星的規(guī)模。每枚衛(wèi)星在20,200 km (10,900海里)的高度并以大約12個小時的軌道周期在六個軌道平面圍繞地球旋轉(zhuǎn)。衛(wèi)星當前用兩個不同波段頻率傳送軍事和民用導航信號：L1段(1575.42MHz)和L2段(1227.6 MHz)。第三個波段頻率L5(1176.45 MHz)，也將在接下來的十年內(nèi)為民用信號使用

　　GPS在全世界廣泛用于民用和軍事用途。美國的政策目的是提供無須直接向所有用戶收費的GPS民用信號，以及開放提供用來發(fā)展基于GPS的民用GPS接收器和PNT服務的技術信息。美國和它的盟友也分享GPS軍用能力，共同地受益于系統(tǒng)的高精確性、可靠性、全世界可及性和被動獨立的操作性。.

　　在GPS增加上和在GNSS的建立方面的國際興趣越來越濃厚。例如，美國，歐盟，印度，日本和其他國家正推出基于衛(wèi)星的增廣系統(tǒng)(SBAS)，提供更好的準確性和完整性并且直正地使用戶在接收SBAS信號時，也能夠繼續(xù)接收必要的GPS信號。由于SBAS信號使用和GPS信號相同的頻率，因此，必須設計好使其與GPS信號相協(xié)調(diào)并且相互可操作。另外，俄國聯(lián)邦正把注意力重新注入它的全球性導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)，歐盟正在開發(fā)伽利略號。還有日本正在開發(fā)稱為類似天頂衛(wèi)星系統(tǒng)的地方增廣系統(tǒng)(QZSS)。通過有意地與其他GNSS相接合，美國和世界可能受益于GPS和這些其他系統(tǒng)之間的協(xié)作。

　　開發(fā)和修改空間系統(tǒng)需要許多時間，并且用戶期待繼續(xù)與已經(jīng)被使用的接收器相兼容。結(jié)果，今天做出的決定要到下一個十年才起作用，并且還需要堅持。因此非常明顯，在國際發(fā)展和GNSS合作方面需要一個持續(xù)長期的策略。

　　隨著GPS的全球使用的增加和在開發(fā)另外的衛(wèi)星導航系統(tǒng)上的國際興趣日益濃厚，白宮在2004年12月發(fā)不了國家基于太空的PNT政策。2這項政策為基于太空的PNT項目，增廣和美國國土安全，民用，科學和商務提供了指導。政策更新完美地與幫助引導美國在衛(wèi)星導航方面的國際合作相同步。這項政策直接確立了引導這些國際努力的兩項成拱形的目標：

　　•保持卓越的軍事方面基于太空的PNT服務;

　　•保持國際PNT服務的主要成分。3

　　為了回應這樣的引導，GPS聯(lián)隊與我們的盟友和其他GNSS機構(gòu)中在設計和獲取GPS方面的領導即GNSS的提供者做了提前工作。反之，GPS聯(lián)隊參與不同的國際性活動，包括國際電信聯(lián)盟(ITU)光譜會議，為信號兼容性的GNSS工作組和北大西洋公約組織(北約NATO)和其他聯(lián)盟的GPS用戶設備論壇。其中每一活動都在尋求提供安全和增強的GPS服務。帶領這些活動是重要的，因為他們鞏固了GPS的現(xiàn)代化，幫助確保繼續(xù)為所有用戶提供優(yōu)良的GPS服務。

　　兼容性

　　在衛(wèi)星導航中，兼容性是指多系統(tǒng)既能獨立工作也能排除不需要的干擾而共同協(xié)作的能力。為了具體的軍事行動，美國也要求保留美國導航戰(zhàn)(Navwar)的業(yè)務。導航戰(zhàn)保護美國和盟友的GPS業(yè)務，同時防止敵人使用GNSS但是在軍用范圍外必須保持GNSS民用的和平。

　　實現(xiàn)GNSS的兼容性極富挑戰(zhàn)性，因為GNSS信號有低功率，覆蓋面廣，頻率重疊的特點。衛(wèi)星僅能以十瓦特的能量在超過地球表面20,000 km的范圍傳送每種信號，這些能量被分散在比地球更大的區(qū)域，造成接受的信號能量明顯少于一毫微瓦特的數(shù)量級，比接收器內(nèi)噪聲產(chǎn)生的能量還低。因為這些信號中一大部分是被地球上的各點所吸收，并且許多信號有頻率重疊，因此信號間不互相干擾極為重要。獨特的信號特征使得GNSS的兼容性評估與同步衛(wèi)星通信的兼容性評估不同，它要求關鍵技術的組合。

　　成功實現(xiàn)GNSS兼容性需要及早的國際參與和GPS組成部分的平衡發(fā)展，包括地面控制，衛(wèi)星和接收器。例如，作為最初的航天器(SV)，信號開始設計，信號主頻率、帶寬和功率電平被定義，并且GPS聯(lián)隊采取行動確保SV信號傳輸?shù)玫絿�際授權。

　　獲得必要的頻率光譜是GPS發(fā)展重要的第一步。根據(jù)美國法律和國防部(DoD) 4650.1方針，系統(tǒng)必須有適當?shù)膰鴥?nèi)和國際授權來傳播信號。4適當?shù)氖跈嗖粌H保證GPS傳播信號的權利，而且它也為反對干擾GPS的訴訟提供依據(jù)。為了保證成功完成GPS的使命，GPS聯(lián)隊通過國際電信聯(lián)盟ITU獲得了頻率光譜的授權。隨后GPS聯(lián)隊在ITU和其他論壇有效地開展工作以保護GPS光譜。

　　GPS聯(lián)隊保護GPS光譜使其免受GNSS和其他無線電通信服務的外在干擾：。如果GPS聯(lián)隊做不到充分的保護，他們將有必要對GPS項目做些改變，這樣會對GPS現(xiàn)代化日程和GPS項目成本產(chǎn)生負面影響。

　　GPS聯(lián)隊在ITU世界的無線通信會議這樣的全球性舞臺上保護光譜。會上世界所有國家的代表們聚在一起，回顧和修正ITU光譜標準。 ITU標準制定了使用無線電頻率的國際條約。所以，本質(zhì)上GPS聯(lián)隊與ITU成員合作開發(fā)光譜標準對GPS和GNSS是有利的。

　　GPS聯(lián)隊也努力地防止GNSS信號的干擾。通過參加各樣的論壇來對GPS和其他系統(tǒng)之間的兼容性問題進行分類。目的是辨認和解決在共享的和受保護的無線電光譜頻率之間的自然沖突，然后完成優(yōu)化GPS服務在技術和法律方面必不可少的步驟。

　　有關這些努力的一個例子是發(fā)生在2002年和2004年之間的美國和歐共體之間的合作。GPS聯(lián)隊(后來稱GPS共同計劃辦公室)在和歐共體的工作中扮演著一個重要角色，保證伽利略信號設計能有一個適當?shù)念l率便于和被稱為“M-code.”的現(xiàn)代化的GPS軍事信號的頻率區(qū)分開來。這長期且有時復雜的雙邊努力得到了由后來的美國國務卿Colin Powell，歐共體Loyola dePalacio副總統(tǒng)和愛爾蘭外交部長Brian Cowen簽字的協(xié)議中給出的一種相互令人滿意的解答。GPS伽利略協(xié)議的技術方面包括了(1)平衡性能和所有的無線電頻率的兼容性，(2)達到民用信號的互用性和(3)保護美國和聯(lián)盟的敵對用途之外的Mcode PNT服務能力。這三條宗旨與2004年6月26日的GPS伽利略協(xié)議相符合。圖2描繪了GPS伽利略協(xié)議定義的最后的基線信號光譜。
注意到GPS M代碼和伽利略公眾調(diào)控的服務信號被從民用信號中分離出來。另外， GPS L1C和伽利略E1公開的服務信號為了增強互用性而共享同一個光譜，然而為了改進無線電頻率的兼容性它們卻從GPS C/A碼(Coarse Acquisition Code粗捕獲碼)中分離。
最后，GPS必須防止GNSS以外的其他系統(tǒng)的干擾。 GNSS以非常低的接受功率電平來接收信號，這使其極易受功率電平數(shù)量級更高的其他系統(tǒng)的干擾。隨著世界無線電設備的繼續(xù)發(fā)展，結(jié)合有限的可用無線電光譜。意味著新的射頻系統(tǒng)和服務一直在尋找包括目前用于GNSS的光譜在內(nèi)的光譜。

　　作為這些充滿矛盾的興趣是怎樣的解決的一個例子，它極具說明性地評論了超寬帶(UWB)討論。在2001年，UWB作為個人通信的一種新技術和感覺，其開發(fā)商請求聯(lián)邦通信委托和國際機構(gòu)允許在GPS頻帶內(nèi)發(fā)射信號。由于它的傳輸特征和功率電平，UWB帶來了對GPS服務的重大干擾和威脅。 為了保護GPS和所有GNSS， GPS聯(lián)隊開展了它自身對UWB干擾的測試。測試的結(jié)果反應出UWB的干擾將超出GPS可接受的極限. 這些測試，結(jié)合從GPS聯(lián)隊技術專家得到的其他信息，被看成是為了限制來自UWB的干擾而建立的規(guī)則的基礎。要是這個評估過程未被跟隨，GPS能夠體驗那些不能被接受的而貶低它的表現(xiàn)的有害干擾。5

　　表現(xiàn)和互用性

　　由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS隨著更多的衛(wèi)星參與，其性能得到了提高，當民用用戶的接收器可以接收來自多個GNSS衛(wèi)星群的信號時，民用用戶將會受益。擁有有限“天空視覺”（因建筑物和樹木的遮擋）的接收器，仍然能夠接收從一個足夠數(shù)目的衛(wèi)星群發(fā)來的信號，從而獲得方位和時間。擁有更好的“天空視覺”的接收器將充分利用多余的信號來獲得更好的準確性和完整性。高度相互可操作的信號允許更加便宜的接收器使用多個衛(wèi)星群。

　　在衛(wèi)星導航中，美國定義了互用性，它作為美國民用和外國面向太空PNT服務的能力，當多個系統(tǒng)一起使用時，將會提供更好的用戶級性能，比靠單一的服務或信號所達到的性能要好。GPS聯(lián)隊積極同其他GNSS系統(tǒng)的專家致力于民用信號的設計以提高互用性。目標是合作設計衛(wèi)星系統(tǒng)，它不僅能傳送相兼容的信號，而且能傳送通過信號互用而得到增強的信號。有時增強表現(xiàn)的信號產(chǎn)生于雙邊工作組的創(chuàng)造性協(xié)作的努力。這樣成就的例子是復用的二進制偏移載波 (MBOC)的模塊化聯(lián)合開發(fā)，它是用來傳播GPS L1C信號和在L1頻帶(被集中在1575.42 MHz) 的伽利略開放的服務信號的。雖然2004年GPS伽利略協(xié)議定義了基線傳播的模塊化，它也考慮到這個基線信號結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 在2006年冬天，一個歐洲小組和美國專家共同開發(fā)了一個信號優(yōu)化結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了混合二進制偏移載波調(diào)制技術MBOC。 在互用性和兼容性方面工作的且美國方面的聯(lián)合主席是GPS聯(lián)隊的總工程師的GPS伽利略工作團隊，建議GPS和伽利略采用MBOC，這樣將最后會提供保持和軍用信號相分離的更好的整體表現(xiàn)。

　　通過最大化用于不同系統(tǒng)的民用信號設計也可以促進互用性。接收普通信號的GNSS接收器(有相似的技術特征)會變得更小，使用較少能量和費用，這些給他們提供了更好的表現(xiàn)并且市場在不斷擴大。由于GPS聯(lián)隊是在信號設計和維護所有GPS信號的接口控制文件的一個主要參于者，它在GNSS互用性與其他國家的雙邊努力上起美國領導作用。

　　一個最近的例子提到了GPS和日本的 QZSS（準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)）。在2005年和2006年期間，日本和美國的專家合作來共享信息和為系統(tǒng)間的兼容性而尋找機會。 由于這些共同努力， QZSS計劃提供與現(xiàn)存的及未來現(xiàn)代化的GPS信號相類似的信號。 結(jié)果，使用這些相互可操作的信號的接收器可以節(jié)約成本同時具有優(yōu)良的表現(xiàn)。

　　通過GPS聯(lián)隊帶領的各種雙邊努力，美國現(xiàn)在在GPS、伽利略、SBAS（基于衛(wèi)星的增廣系統(tǒng)）和QZSS之間的互用性上已達到了一定的高度。 與俄國的討論同樣考慮到增強GPS和GLONASS（全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE）之間的互用性的可能性。 如果能找到一種相互可接受的解決方案， GPS聯(lián)隊將成功地提高民用信號的表現(xiàn)和三個全球系統(tǒng)與一個區(qū)域系統(tǒng)之間的互用性。全世界的用戶將會受益，因為國外GNSS本質(zhì)上有兩倍或三倍于 “類似于GPS”的信號和衛(wèi)星，這些將提供給全世界的GNSS民用用戶

　　飛行導航標準

　　雖然聯(lián)邦飛行管理部門與其他民用航空權威為民用飛行共同制定了導航標準，但是GPS聯(lián)隊是美國的涉及GPS軍用航空導航標準的領導力量。GPS聯(lián)隊發(fā)展GPS空中導航的標準有兩個目標：（1）確保共存于同一個國內(nèi)和國際空中領域的民用和軍用空中導航活動安全和有效（2）保證航空標準和政策與美國及其同盟國的軍事需求相一致。

　　GPS導航標準圍繞兩個基本的GPS服務發(fā)展：標準的定位服務（SPS）和精確的定位服務（PPS）。標準的定位服務對所有用戶開放，而精確的定位服務是加密服務，權威（主要是軍事）用戶才有權使用。為支持這些服務，DoD發(fā)展了定義聯(lián)邦政府提供給民用GPS用戶的GPS的表現(xiàn)等級。6 GPS聯(lián)隊代表DoD負責影響軍事行動的性能和證明標準。由于GPS被航空權威和為飛行安全考慮而設計GPS接收器的設備制造商承認，這些標準同樣影響GPS的所得。有時接收器的設計影響了所需衛(wèi)星信號的能力，接著就影響了衛(wèi)星的設計。因此，GPS聯(lián)隊通過與航空和接收器制造商合作來提供適當?shù)男盘柡涂刂评�用這些信號的標準。

　　單個的國家通過參與到諸如國際民間航空組織（ICAO）的國際討論會和北大西洋公約組織來共同地開發(fā)涉及這些性能和證明標準的工業(yè)標準。由于這些方針影響國際規(guī)則，國際民間航空組織和北大西洋公約組織能最終影響無縫的軍事行動和GPS衛(wèi)星的設計。
在軍用航空方面，GPS聯(lián)隊引領了GPS的精確定位服務標準。這些新的GPS的精確定位服務標準可以通過軍用航空導航系統(tǒng)的較低的成本、全面改進型的耐飛性證明及空中交通管制員來衡量。GPS聯(lián)隊在北大西洋公約組織中開展的空中導航標準工作允許同盟國的軍事飛行器無縫地經(jīng)過國際空域。
（左）頂端捆綁有新全球定位系統(tǒng)制導的聯(lián)合精確空投系統(tǒng)(JPADS)的空投物于 2006年8月31日從C - 130運輸機上空投出來。這次空投是有史以來第一次在阿富汗戰(zhàn)區(qū)攜帶有JPADS的空投，（攝影：美國陸軍中將Michael J. Taylor） 。 （右）飛行中攜帶10000磅有效載荷的JPADS，從亞利桑那州的尤馬試驗場上空25,000英尺的1架C – 130運輸機中空投。

　　與北大西洋公約組織成員國及其他的協(xié)約國合作

　　GPS聯(lián)隊不僅制定了空中導航的標準，而且與25個北大西洋公約組織成員國以及超過20個協(xié)約國共同來將GPS用于軍事行動標準化和提升其應用性。特別的，GPS聯(lián)隊負責GPS的對外軍事貿(mào)易（FMS），聯(lián)合開發(fā)未來軍事武器，標準化協(xié)議，及檢測和評價導航雷達（Navar）的運轉(zhuǎn)。此外，每六個月GPS聯(lián)隊舉行一個北大西洋公約組織成員國的航空小組委員會，在會上同盟國開會討論與GPS有關的包括導航標準、密鑰的分發(fā)、設備協(xié)同能力、導航雷達運行及其他共同的導航問題在內(nèi)的專業(yè)問題。

　　由于國際軍事伙伴要將GPS融進他們的領土、領海、領空及空軍的構(gòu)成，為促進此次成功，GPS聯(lián)隊與他們合作。在2006年，GPS聯(lián)隊為同盟國運送了大致50，000，000美元的對外軍事貿(mào)易設備。GPS聯(lián)隊幫助支持GPS接收器標準化的同盟國中的這種設備銷售。通過這樣做，提高了包括軍事動作的協(xié)調(diào)性、干擾臺的環(huán)境及武器投放在內(nèi)的聯(lián)合作戰(zhàn)中導航雷達的能力。展望未來，GPS聯(lián)隊有望爭取同額外的在發(fā)展技術示威者和在諸如GPS安全接收器等領域的系統(tǒng)原型、聯(lián)合干擾設備及聯(lián)合試驗和訓練中的同盟國合作。

　　總結(jié)和展望未來

　　本文中總結(jié)的GPS聯(lián)隊的國際努力對GPS計劃的成功來說是基礎性的。在每一個國際交互中形成的關聯(lián)、方法以及協(xié)議都被小心的建立來互相支持。甚至更重要的是在不同活動中所產(chǎn)生的利益。例如，美國同盟國在利用軍事GPS的參與對正在進行的GPS聯(lián)隊在兼容性方面的努力提供了國際支持，GPS在全球范圍內(nèi)的民用給GPS增強表現(xiàn)和與其他GNSS的協(xié)同工作能力上提供了支持。

　　GPS聯(lián)隊的國際活動為未來提供了連續(xù)的機遇和挑戰(zhàn)。國內(nèi)的和國際的頻譜備案對GPS III計劃以保證對導航、向上傳輸及向下傳輸信號的無線電頻率頻譜來說是必需的。許多重要的新的涉及與其他GNSS的協(xié)同工作能力的建立在與當前GNSS伙伴連續(xù)工作來保護軍事GPS的兼容性上的活動也同樣即將出現(xiàn)。GPS 聯(lián)隊不僅設計和保護GPS信號，它將同樣通過建立合適的航空標準和與北大西洋公約組織成員國及其他同盟國的協(xié)調(diào)來保護M編碼。

　　由于GPS聯(lián)隊仍然需要現(xiàn)代化的空間段、控制段及軍事用戶設備，其配合了這些收購活動的國際努力為美國和整個世界提供盡可能最好的衛(wèi)星導航能力。

　　注：

　　1. 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)聯(lián)合計劃辦公室（SMC/GP）的任務聲明： http://gps.losangeles.af.mil/jpo （進入2007年1月9日）。

　　2．情況說明書，美國面向太空的定位，航海和計時政策(2004 12月15日)。

　　3. Ibid. III.

　　4．國防部管理的4650.1號方針，對電磁波頻譜的政策和用途， 2004年6月8日。

　　5. 全國電信和信息部門對Ultrawideband (UWB)系統(tǒng)之間的兼容性和對全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器的管理、評估， iii， xx (2001年NTIA特別出版物01-45)。

　　6．2001年10月國防部副部長提出的對命令、控制、通信和智力及全球定位系統(tǒng)標準安置的使用性能標準。

　　Col Mark C. Crews（美國空軍學院電氣工程學士;麻省理工學院理科碩士;科羅拉多州技術大學管理學碩士;英國牛津大學電機工程博士）擔任GPS聯(lián)隊空間和導彈系統(tǒng)中心的總工程師。他的第一職務是擔任伊利諾州斯科特空軍基地自動化通信系統(tǒng)的測試工程師。在1987年，他擔任該部空軍學院電氣工程的教員。在1992年，他任職于俄克拉何馬州報廷克空軍基地，在那里他擔任B - 1B的武器系統(tǒng)首席工程師。隨后，他在1995年至1996年間加入了阿拉巴馬州麥克斯韋空軍基地的空中指揮和參謀學院。接下來，他回到空軍學院，后來在那里擔任電機系的副系主任。在2000年，他擔任美國新墨西哥州柯特蘭空軍基地機載激光技術科行政職務。從2003年至2004年，他擔任先進激光光束控制試驗光束控制司司長，他在“星火光學試驗機構(gòu)”和新墨西哥North Oscura峰試驗場的傳播試驗床指導工作。他還擔任過菲利普斯研究實驗室的副司令員，空軍研究實驗室的空間飛行器高級首長。他畢業(yè)于中隊軍官學校，空軍指揮和參謀學院，空軍戰(zhàn)爭學院等。